CN104467960B - 无线光通信中信标光光斑稳定定位系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线光通信中信标光光斑稳定定位系统及其实现方法,解决现有光斑质心定位算法的定位稳定性不高且易在中强湍流下容易造成检测目标丢失的问题。该系统包括接收天线、万向架、CCD传感器、图像处理器和运动控制器；信标光光源经发射天线发射，由位于万向架前端的接收天线接收，万向架后端连接有CCD传感器，CCD传感器与图像处理器、运动控制器依次相连；接收天线用于接收经大气传输的信标光，其采用300mm焦距的全不锈钢材质的平行光管。

Description

无线光通信中信标光光斑稳定定位系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体涉及无线光通信中信标光光斑稳定定位系统及其实现方法。

背景技术

空间光通信因具有通信容量大、数据传输率高、收发系统体积小、重量轻、能耗低、信号保密性能与抗干扰性能好等诸多优点，是未来大容量通信的最佳解决方案之一。而在无线激光通信链路建立与维持的过程中，信标光的检测和定位发挥着非常重要的作用，采用CCD/CMOS相机作为信标光探测器的激光通信APT系统将受到信标识别定位速度及精度的影响。

光斑定位算法一般为双二次曲面拟合法、高斯曲面拟合法、形心法和质心定位法。由于受通信粗跟踪子系统中图像实时处理、数据传输时间和执行部件延迟等因素影响，双二次曲面拟合法和高斯曲面拟合法定位精度高，但其算法复杂，计算量很大，难以满足光斑图像实时处理的要求。考虑到信标光斑闪烁，形状不规则，经常发生破碎现象，引入灰度的质心法比较稳定，其定位精度优于形心法，而计算量并没有显著增加。因此，现有无线激光通信系统一般采用质心定位算法，但由于接收的激光光斑已经发生畸变，对比度低，边缘模糊，经常出现闪烁、散斑现象，同时光斑形状、尺寸不断变化，会使检测结果存在较大误差，特别在较强湍流下，通过图像传感器抑制光强的起伏很容易导致目标质心检测失败(有目标存在，但系统认为是干扰)。

发明内容

本发明提出了无线光通信中信标光光斑稳定定位系统及其实现方法，其目的是为了解决现有光斑质心定位算法的定位稳定性不高且易在中强湍流下容易造成检测目标丢失的问题。

本发明的技术方案为:

无线光通信中信标光光斑稳定定位实现方法，其特征在于，信标光光斑稳定定位方法如下所示：

1)通过运动控制器控制万向架在一定的视场内扫描，完成调整信标光接收天线指向信标发射端，确定初始调整的运动扫描方式并计算扫描步长；

其中，扫描步长取接收端光学天线视场的4/5，即

步长a＝0.8*(CCD视场的最小值/平行光管焦距)＝20.32μrad，取整数值并加1，步长a取21μrad；

2)信标光图像的处理；当接收端接收天线通过扫描后，目标处于接收端CCD视场内时，在图像处理器中进行信标光图像的处理，计算出当前帧图像的阈值F；

3)信标光光斑质心预提取，获取当前帧质心(x(k),y(k))；若目标区域为(N,N)，则光斑质心位置为：

$x\left(k\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_{i,j}\left|\left(f\right(i,j)-F)\right|}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(f\right(i,j)-F)},y\left(k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_{i,j}\left|\left(f\right(i,j)-F)\right|}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(f\right(i,j)-F)}$

其中x_i,j和y_i,j分别为目标区域中像元(i,j)的横纵坐标，f(i,j)为像元(i,j)的灰度值；

4)：光斑质心滤波稳定处理；按照所述步骤2)、所述步骤3)可以求得当前帧的光斑坐标实际值和前一帧光斑坐标实际值，由于光斑在视场内的运动可分解为x和y轴的运动，且存在速度信息；考虑到进行光斑质心预测时，各信息需要使用向量表示：

x(k)',y(k)'分别表示k时刻在X、Y轴上的速度；

为k时刻的状态向量，其包含光斑位置及速度信息；

为状态转移矩阵

为观测矩阵

为系统噪声，W(k)∈N(0,Q(k))，Q(k)为系统噪声方差；

为观测噪声，V(k)∈N(0,R(k))，R(k)为观测噪声方差；

则可得到该滤波预测算法的状态方程和量测方程，如下：

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=A\left(k\right)X(k-1)+W\left(k\right)\\ Y\left(k\right)=C\left(k\right)X\left(k\right)+V\left(k\right)\end{array}\right.$

5)根据上一帧的预测值，求出当前帧预测初步值为：

6)求出误差协方差预测方程：

P(k|k-1)＝A(k)P(k-1)A(k)^T+Q(k-1)

7)求出预测滤波增益

H(k)＝A(k)P(k|k-1)C(k)^T[C(k)P(k|k-1)C(k)^T+R(k)]

8)修正预测值及误差协方差矩阵

$\hat{X}\left(k\right)=\hat{X}\left(k\right|k-1)+H\left(k\right)\[Y\left(k\right)-C\left(k\right)A\left(k\right)\hat{X}(k-1)\]$

P(k)＝P(k|k-1)[1-H(k)C(k)]

9)当信标光目标存在于接收端视场内时，则将修正后的作为实际质心坐标输出；而当强大气湍流导致光强起伏严重时，致使接收端的信标光起伏严重，甚至使目标提取失败时，可采用作为实际质心坐标输出。

应用无线光通信中信标光光斑稳定定位实现方法的无线光通信中信标光光斑稳定定位系统，包括接收天线、万向架、CCD传感器、图像处理器和运动控制器；信标光光源经发射天线发射，由位于万向架前端的接收天线接收，万向架后端连接有CCD传感器，CCD传感器与图像处理器、运动控制器依次相连；

接收天线用于接收经大气传输的信标光，其采用300mm焦距的全不锈钢材质的平行光管；

万向架用于调整信标光接收端的对准方向，保证信标光有效的入射在光接收传感器的视场上；万向架为带有X轴和Y轴的二轴转台，X轴和Y轴均配有二相混合式直流步进电机，所述万向架在X轴上可进行360度旋转，Y轴上可进行0-80度旋转；所述万向架还带有手轮调整机构；

CCD传感器用于接收入射信标光的图像；图像处理器用于对CCD传感器接收的图像进行处理，完成信标光光斑质心的定位；运动控制器用于调整信标光接收端的对准方向，使接收端天线实时对准信标光发射端；

所述CCD传感器采用黑白面阵CCD，有效像素数为752×582，感光面积为1/3英寸，采样频率25帧/秒，具有强光抑制功能，自动增益自定义，视场16mrad(水平方向)×12mrad(俯仰方向)。

本发明的优点在于，通过本系统及实现方法可有效解决现有光斑质心定位算法的定位稳定性不高且易在中强湍流下容易造成检测目标丢失的问题。

附图说明

图1是光斑稳定定位系统；

图2是初始扫描的扫描方式。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，无线光通信中信标光光斑稳定定位系统，包括接收天线3、万向架4、CCD传感器5、图像处理器6和运动控制器7；万向架4的前端连接有接收天线，后端连接有CCD传感器5，CCD传感器5与图像处理器6、运动控制器7依次相连。

同时考虑到教学需要，在本系统中设置了激光器1作为模拟信标光光源，该激光器为带尾纤的红光激光器，功率为20mw，出射光波长650nm。由激光器1连接有发射天线2；发射天线2用于将激光器的出射光进行调节，其可对出射激光进行准直，从而使出射激光类似于平行光，并保持出射发散角约150μrad，发射天线采用改装的经纬仪。

接收天线3用于接收经大气传输的信标光，其采用300mm焦距的全不锈钢材质的平行光管。

万向架4用于调整信标光接收端的对准方向，保证信标光有效的入射在光接收传感器的视场上。其实质为二轴(X轴和Y轴)转台(带有手轮调整机构)，X轴和Y轴均配有二相混合式直流步进电机，该万向架在X轴上可进行360度旋转，Y轴上可进行0-80度旋转。

CCD为信标光接收传感器，负责入射信标光的图像的接收。其采用黑白面阵CCD，有效像素数为752×582，感光面积为1/3英寸，采样频率25帧/秒，具有强光抑制功能，自动增益自定义，视场16mrad(水平方向)×12mrad(俯仰方向)。

图像处理器用于对CCD接收的图像进行处理，完成信标光光斑质心的定位。其采用TI C6000系列高性能DSP。

运动控制器用于调整信标光接收端的对准方向，使接收端天线实时对准信标光发射端。以TI C2000系列DSP为核心构成运动控制板，同时配备DMD402A型细分(最大256细分)电机驱动器，可实现运动转台的亚微弧度级调整。

图1中，由激光器出射激光经过发射天线，打向接收端所在的方向上，信标光进过一定距离(在空气能见度允许的情况下，信标光发射端与接收端的距离不限，在所述的本系统中为2.3km)的大气传输后，经接收端光学天线将入射平行光聚焦至CCD传感器的感光像元。接收端CCD接收到信标光图像后，将相应的图像送入图像处理器中，在图像处理器进行实时光斑坐标的定位和提取。如果初始状态下，接收端光学天线未能指向信标光发射端时，需要根据实际情况，由运动控制器控制万向架转动调整指向。

信标光光斑稳定定位方法如下所示：

步骤一：在信标发射端，将激光器的出射激光光纤接口与发射天线的接口进行连接，手动调整发射天线的水平和俯仰调节旋钮，使激光出射中心指向远处信标光接收端，并调整好焦距，以能够分辨对方目标为准。

步骤二：在信标接收端，信标光经过大气传输后，入射到信标光接收端。因此，应首先完成初始调整，即调整信标光接收天线指向信标发射端。初始调整可手动或者通过运动控制器控制万向架在一定的视场内扫描完成的。如果是手动，则可跳过步骤三，直接执行第四步；否则，执行第三步。

步骤三：确定初始调整的运动扫描方式并计算扫描步长，初始扫描的扫描方式如图2所示，扫描的起点为图中的数字1，由内圈向外圈逐渐循环。

扫描步长取接收端光学天线视场的4/5，即

步长a＝0.8*(CCD视场的最小值/平行光管焦距)＝20.32μrad，取整数值并加1。最后步长a取21μrad。

接收端接收天线通过扫描后，如找到目标，则执行步骤四，如未找到目标，则需要进行手工调整后，再次扫描。

步骤四：当目标处于接收端CCD视场内时，可在图像处理器中进行信标光图像的处理。在本方法中，信标光图像处理均采用目前常规方法，如采用中值加权滤波处理后，再采用自适应阈值分割法进行图像二值化处理，在此，也需要计算出当前帧图像的阈值F。

步骤五：进行信标光光斑质心预提取，获取当前帧质心(x(k),y(k))。若目标区域为(N,N)，则光斑质心位置为：

$x\left(k\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_{i,j}\left|\left(f\right(i,j)-F)\right|}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(f\right(i,j)-F)},y\left(k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_{i,j}\left|\left(f\right(i,j)-F)\right|}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(f\right(i,j)-F)}$

其中x_i,j和y_i,j分别为目标区域中像元(i,j)的横纵坐标，f(i,j)为像元(i,j)的灰度值。

步骤六：光斑质心滤波稳定处理。按照上述步骤可以求得当前帧的光斑坐标实际值和前一帧光斑坐标实际值，由于光斑在视场内的运动可分解为x和y轴的运动，且存在速度信息。考虑到进行光斑质心预测时，各信息需要使用向量表示：

x(k)',y(k)'分别表示k时刻在X、Y轴上的速度；

为k时刻的状态向量，其包含光斑位置及速度信息；

为状态转移矩阵

为观测矩阵

为系统噪声，W(k)∈N(0,Q(k))，Q(k)为系统噪声方差。

为观测噪声，V(k)∈N(0,R(k))，R(k)为观测噪声方差。

则可得到该滤波预测算法的状态方程和量测方程，如下：

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=A\left(k\right)X(k-1)+W\left(k\right)\\ Y\left(k\right)=C\left(k\right)X\left(k\right)+V\left(k\right)\end{array}\right.$

步骤七：根据上一帧的预测值，可求出当前帧预测初步值(后续需要根据计算修正)为：

步骤八：求出误差协方差预测方程：

P(k|k-1)＝A(k)P(k-1)A(k)^T+Q(k-1)

步骤九：求出预测滤波增益

H(k)＝A(k)P(k|k-1)C(k)^T[C(k)P(k|k-1)C(k)^T+R(k)]

步骤十：修正预测值及误差协方差矩阵

$\hat{X}\left(k\right)=\hat{X}\left(k\right|k-1)+H\left(k\right)\[Y\left(k\right)-C\left(k\right)A\left(k\right)\hat{X}(k-1)\]$

P(k)＝P(k|k-1)[1-H(k)C(k)]

步骤十一：当信标光目标存在于接收端视场内时，则将修正后的作为实际输出；而当强大气湍流导致光强起伏严重时，致使接收端的信标光起伏严重，甚至使目标提取失败时，可采用作为实际输出。

步骤十二：返回至第四步，继续求取稳定的质心坐标，不断循环。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.无线光通信中信标光光斑稳定定位实现方法，其特征在于，信标光光斑稳定定位方法如下所示：

1)通过运动控制器控制万向架在一定的视场内扫描，完成调整信标光接收天线指向信标发射端，确定初始调整的运动扫描方式并计算扫描步长；

其中，扫描步长取接收端光学天线视场的4/5，即

步长a＝0.8*(CCD视场的最小值/平行光管焦距)＝20.32μrad，取整数值并加1，步长a取21μrad；

2)信标光图像的处理；当接收端接收天线通过扫描后，目标处于接收端CCD视场内时，在图像处理器中进行信标光图像的处理，计算出当前帧图像的阈值F；

3)信标光光斑质心预提取，获取当前帧质心(x(k),y(k))；若目标区域为(N,N)，则光斑质心位置为：

$x\left(k\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_{i,j}\left|\left(f\left(i,j\right)-F\right)\right|}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(f\left(i,j\right)-F\right)},y\left(k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_{i,j}\left|\left(f\left(i,j\right)-F\right)\right|}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(f\left(i,j\right)-F\right)}$

其中x_i,j和y_i,j分别为目标区域中像元(i,j)的横纵坐标，f(i,j)为像元(i,j)的灰度值；

4)：光斑质心滤波稳定处理；按照所述步骤2)、所述步骤3)可以求得当前帧的光斑坐标实际值和前一帧光斑坐标实际值，由于光斑在视场内的运动可分解为x和y轴的运动，且存在速度信息；考虑到进行光斑质心预测时，各信息需要使用向量表示：

x(k)',y(k)'分别表示k时刻在X、Y轴上的速度；

为k时刻的状态向量，其包含光斑位置及速度信息；

为状态转移矩阵

为观测矩阵

为系统噪声，W(k)∈N(0,Q(k))，Q(k)为系统噪声方差；

为观测噪声，V(k)∈N(0,R(k))，R(k)为观测噪声方差；

则可得到该滤波预测算法的状态方程和量测方程，如下：

$\left\{\begin{array}{c}X\left(k\right)=A\left(k\right)X\left(k-1\right)+W\left(k\right)\\ Y\left(k\right)=C\left(k\right)X\left(k\right)+V\left(k\right)\end{array}\right.$

5)根据上一帧的预测值，求出当前帧预测初步值为：

6)求出误差协方差预测方程：

P(k|k-1)＝A(k)P(k-1)A(k)^T+Q(k-1)

7)求出预测滤波增益

H(k)＝A(k)P(k|k-1)C(k)^T[C(k)P(k|k-1)C(k)^T+R(k)]

8)修正预测值及误差协方差矩阵

$\hat{X}\left(k\right)=\hat{X}\left(k|k-1\right)+H\left(k\right)\[Y\left(k\right)-C\left(k\right)A\left(k\right)\hat{X}(k-1)\]$

P(k)＝P(k|k-1)[1-H(k)C(k)]

9)当信标光目标存在于接收端视场内时，则将修正后的作为实际质心坐标输出；而当强大气湍流导致光强起伏严重时，致使接收端的信标光起伏严重，甚至使目标提取失败时，可采用作为实际质心坐标输出。

2.根据权利要求1所述的无线光通信中信标光光斑稳定定位实现方法，其特征在于，在步骤2)信标光图像的处理前，通过手动方式完成调整信标光接收天线指向信标发射端。

3.根据权利要求1所述的无线光通信中信标光光斑稳定定位实现方法，其特征在于，信标光图像处理采用中值加权滤波处理后，再采用自适应阈值分割法进行图像二值化处理，并计算出当前帧图像的阈值F。

4.应用权利要求1-3任一项所述无线光通信中信标光光斑稳定定位实现方法的无线光通信中信标光光斑稳定定位系统，其特征在于，包括接收天线、万向架、CCD传感器、图像处理器和运动控制器；信标光光源经发射天线发射，由位于万向架前端的接收天线接收，万向架后端连接有CCD传感器，CCD传感器与图像处理器、运动控制器依次相连；

接收天线用于接收经大气传输的信标光，其采用300mm焦距的全不锈钢材质的平行光管；

万向架用于调整信标光接收端的对准方向，保证信标光有效的入射在CCD传感器的视场上；万向架为带有X轴和Y轴的二轴转台，X轴和Y轴均配有二相混合式直流步进电机，所述万向架在X轴上可进行360度旋转，Y轴上可进行0-80度旋转；所述万向架还带有手轮调整机构；

CCD传感器用于接收入射信标光的图像；图像处理器用于对CCD传感器接收的图像进行处理，完成信标光光斑质心的定位；运动控制器用于调整信标光接收端的对准方向，使接收端天线实时对准信标光发射端。

5.根据权利要求4所述的无线光通信中信标光光斑稳定定位系统，其特征在于，CCD传感器采用黑白面阵CCD，有效像素数为752×582，感光面积为1/3英寸，采样频率25帧/秒，具有强光抑制功能，自动增益自定义，视场16mrad(水平方向)×12mrad(俯仰方向)。

6.根据权利要求4所述的无线光通信中信标光光斑稳定定位系统，其特征在于，图像处理器采用TI C6000系列DSP。

7.根据权利要求4所述的无线光通信中信标光光斑稳定定位系统，其特征在于，运动控制器以TI C2000系列DSP为核心构成运动控制板，同时配备DMD402A型细分电机驱动器，实现运动转台的亚微弧度级调整。